第1章 传感器的基本知识.ppt

1、1，第1章，传感器的基本知识，2，学习要领，掌握传感器的概念和组成，熟悉传感器的分类方法，了解传感器的命名方法，掌握传感器的一般特性，3，1.1，传感器的作用和地位，1.2，传感器的应用和发展，1.3，传感器的定义和组成，1.5，传感器的命名和编码，1.6，传感器的基本特性和主要内容，返回主目录，4，1.1，传感器的作用和地位，世界为了从人的眼睛、耳朵、鼻子、舌头和皮肤具有直接看、听、嗅、嗅和触摸事物的功能。人的大脑处理和加工五种感官感受到的信息，从而调节人的行为。在研究自然现象、规律和生产活动时，人们有时需要对某种东西的存在作出定性的理解，有时需要进行大量的实验测量来确定物体价值的确切数据。

2、因此，仅仅依靠人自身感觉器官的功能是远远不够的，还需要借助某些仪器和设备来完成，这些仪器和设备就是传感器。传感器是人类五官的延伸，是信息采集系统的主要组成部分。表征物质特性和运动形式的参数很多，根据物质的电特性可以分为两类。电学一般指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容和电感；非电是指除电以外的一些参数，如压力、流量、大小、位移、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度和酸碱度等。为了理解物质和事物的本质，人类需要测量物质的性质，其中大部分是非电学测量。传感器的功能非电不能用一般的电器和电子仪器直接测量，因为一般的电器和电子仪器只能测量电，输入信号必须是电信号。非电需要转换成与之有一定关

3、系的电，然后进行测量。实现这种转换技术的装置是传感器。传感器是获取自然或生产信息的关键设备，是现代信息系统和各种设备不可缺少的信息采集工具。基于传感器技术的非电测量方法是目前应用最广泛的测量技术。随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，它们分别作为信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，构成了一个完整的自动检测系统。在使用信息的过程中，首先要解决的问题是获取可靠准确的信息，因此传感器的精度直接影响到计算机控制系统的精度。可以说，没有性能优异的传感器，就没有现代技术的发展。回到本章的内容，8、1.2传感器的应用和发展，传感器已经渗透到几乎所有的技术领

4、域。如工业生产、空间开发、海洋勘探、环境保护、资源利用、医疗诊断、生物工程、文物保护等，逐步渗透到人们的生活中。在机器人的技术发展中，是否使用传感器以及使用多少传感器是机器人是否智能的标志。现代智能机器人使用大量性能更好、功能更强、集成度更高的传感器，具有自诊断、自补偿和自学习的能力。机器人通过传感器实现类似人类的感知功能。传感器被称为机器人的“电气五感”。在武器领域，利用机械、压电、电容、电磁、光纤、红外、激光、生物、微波等传感器监测周围环境，采集目标定位信息，从而更好地解决安全可靠的防御能力。传感器在民用工业生产中也发挥着至关重要的作用。例如，一个大型炼钢厂需要20000多个传感器和检测仪

5、器，炼铁高炉的监控和传输系统，一个大型石化厂需要6000个传感器和检测仪器，现代汽车需要90多个传感器，日常生活中复印机、冰箱、洗衣机、电饭锅、视听设备、电动自行车、空调和照相机需要20多个传感器。在医学上，对人体体温、血压、心脏和脑波以及肿瘤的准确诊断和监测需要各种传感器。在当今的信息时代，随着电子计算机技术的飞速发展，自动检测和自动控制技术显示出非凡的能力，而传感器是实现自动检测和自动控制的主要环节。没有传感器准确可靠地捕捉和转换原始信息，就没有现代自动检测和控制系统。没有传感器，就不会有现代科学技术的快速发展。自1980年以来，世界传感器产值的年增长率已达150%。1985年，世界传感器

6、市场的年产值为50亿英镑，1990年为155亿英镑。传感器的发展势不可挡，它是衡量一个国家经济发展和现代化的重要标志。16，1.3传感器的定义和组成，1.3.1传感器的定义“能够感知(或响应)特定测量并根据特定规则将其转换为可用输出信号的设备或装置”。这个定义包含几个含义：传感器是一种测量装置，它可以完成测量任务；其输入量是一定的测量量，可以是物理量、化学量、生物量等。它的输出是一定的物理量，应该便于传输、转换、处理和显示，这就是所谓的“可用信号”的含义；输出和输入之间有一定的对应关系，这种关系应该有一定的规律。根据词义，可以理解为传感器是一种感觉和两种传递，也就是说，它感受信息并传递信息。1

7、7、被测非电量、电量、敏感元件、转换元件和转换电路，它们是直接感受被测并输出与被测成分有一定关系且易于转换的某一物理量的元件。将敏感元件感测或响应的测量信号转换成适于传输或测量的电信号，并将转换元件输出的电信号转换成便于处理、显示、记录、控制和传输的可用电信号。敏感元件、转换元件、1.3.2传感器组成，并非所有传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果传感元件直接输出电能，它也是一个转换元件。如果转换元件可以直接感受到测得的电并输出与之有一定关系的电，那么它也是一个传感元件。如压电晶体、热电偶、热敏电阻和光电器件。在许多传感器中，敏感元件和转换元件组合成一个。18、1.4传感器的分类，有两种常用

8、的分类方法：一种是根据测量的输入量进行分类，另一种是根据传感器的工作原理进行分类。19，1.4.1分类根据被测物理量，本方法根据被测属性进行分类，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器和流量传感器。这种分类方法将各种各样的测量对象分为基本测量对象和派生测量对象。例如，力可以被认为是基本可测量的，并且压力、重量、应力和由力产生的力矩可以被测量。当需要测量这些被测物体时，只需使用力传感器。这种分类的优点是它清楚地表达了传感器的用途，便于用户根据其用途进行选择。缺点：转换机构中各传感器的共性和差异没有区别，不便于用户掌握其基本原理和分析方法。20，表1-1基本上是被测和导出被测，21，1.

9、4.2是根据传感器的工作原理分类的。这种分类方法是以工作原理为基础，以物理学、化学、生物学等学科的原理、规律和作用为分类依据。这种分类的优点是传感器的工作原理表达清晰，种类少，有利于传感器专业人员对传感器进行深入的研究和分析。缺点是用户根据自己的用途进行选择不方便。电传感器：电阻传感器是电传感器中常用的一种，它是由变阻器将测量的非电量转换成电阻信号的原理制成的。电容式传感器是通过改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容发生变化。电感传感器是通过改变磁路的几何尺寸和磁铁的位置来改变电感或互感的电感或压磁效应。磁电式传感器是利用电磁感应原理将测量的非电量转换成电量。涡流传感器是利用金属

10、在磁场中运动来切割磁力线并在金属中形成涡流的原理制成的。磁性传感器是由铁磁性材料的一些物理效应制成的。磁传感器主要用于测量位移、扭矩和其他参数。光电传感器和光电传感器在非电测量和自动控制技术中起着重要的作用。它是利用光电效应和光电器件的光学原理制成的。光电传感器主要用于测量光强、光通量、位移和浓度等参数。电势传感器是利用热电效应、光电效应和霍尔效应的原理制成的。电位传感器主要用于测量温度、磁通量、电流、速度、光通量和热辐射。基于压电效应原理的电荷型传感器。主要用于力和加速度测量。(动态力测量)，27，6。半导体传感器是利用压阻效应、内部光电效应、电磁效应以及半导体与气体接触引起的材料变化等原理

11、制成的。半导体传感器主要用于测量温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体。谐振传感器是通过改变固有的电气或机械参数来改变谐振频率的原理而制成的。主要用于测量压力。电化学传感器基于离子传导原理。根据其电特性的形成，电化学传感器可分为电位传感器、电导传感器、电量传感器、极谱(极化)传感器和电解传感器。电化学传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶解在液体中的固体成分，以及测量液体的酸碱度、电导率和氧化还原电位参数。30，其他分类方法，根据能量对主动传感器和被动传感器进行分类；根据输出信号的性质对模拟和数字传感器进行分类。数字传感器的输出是数字的，便于计算机使用，抗干扰能力强，如圆盘式角度数字传感器

12、和光栅传感器。本书主要是根据被测物的分类进行编写，恰当地分析了其工作原理，并重点介绍了各种传感器的用途，以便读者能够学会使用传感器并进一步开发新的传感器。返回到本章的目录31，1.5传感器的命名和编码，1.5.1传感器命名方法的组成，以及传感器产品的名称应由主题词和四级修饰语组成。(1)主题词传感器。(2)第一修改量被测量，包括修改被测量的属性。(3)二级修饰语转换原则可以遵循“是”字。(4)第三级修饰特征描述是指传感器的结构、性能、材料特征、敏感元件和其他必须强调的必要性能特征，一般可接“类型”一词。(5)第四修改量的主要技术指标(范围、精度、灵敏度等)。)。该术语用于特殊场合，如传感器统计

13、表、图书索引、检索和计算机汉字处理。实施例1传感器，绝对压力，应变型，放大型，13500千帕；例2加速度传感器，压电型，20g。在技术文件、产品样书、学术论文、教材、书刊的陈述句中，产品名称应颠倒顺序。实施例1 13500千帕放大应变式绝对压力传感器；示例2 20g压电加速度传感器。33、1.5.2传感器代码的标记方法，一般规定传感器的完整代码由大写汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。传感器的完整代码应包括以下四个部分，格式如下：(1)主要名称(传感器)；(2)被测量；(3)转换原则；(4)序列号。回到本章的目录，有几个代码用英文的第一个字母表示，比如加速度用“a”表示。34，并且在测量、转换原理和

14、序列号代码之间有一个连字符“-”连接。例1:应变位移传感器，代号：cwy-Yb-10；例2:光纤压力传感器，代号：cy-GQ-1；例3:温度传感器，代号：CW-01A；例4:电容式加速度传感器，代号：CA-DR-2。35，1.6传感器的基本特性，即输入和输出特性，以及动态特性当测量值随时间快速变化时，传感器输入和输出之间的关系。静态特性当测量数据不随时间变化或随时间缓慢变化时，输入和输出之间的关系。传感器的基本特性，36，静态测量，37，慢变测量-静态测量，38，动态测量，39，1)绝对误差：=Ax(测量值)X0(测量真值)，一个买主在三家商店分别买了100公斤大米，10公斤苹果和100公斤苹

15、果，1。绝对误差和相对误差，40，2)相对误差，L:仪表量程，41，2)基本误差，仪表精度等级和基本误差，例如，指针式电压表的精度为2.5，用于测量电压时，最大参考误差可能为2.5%。42，2。粗差、系统误差和随机误差，1)粗差，即明显扭曲测量结果(明显偏离真实值)的误差称为粗差，也称为粗差。重大误差主要是由测量人员的粗心大意和电子测量仪器的突然和强有力的干扰造成的。例如，错误测量、错误读数、错误记忆和外部过压尖峰干扰导致的误差。就数值而言，总误差明显超过正常情况下的误差。发现重大错误时，应予以消除。43，粗差示例，2，粗差，系统误差和随机误差，44，2)系统误差，也称为设备误差，反映了测量值

16、与真实值的偏差程度。任何数值固定或按一定规律变化的误差都属于系统误差。系统误差是有规律的，可以通过实验方法或引入修正值来计算和修正，也可以通过重新调整测量仪器的相关部件来消除。45，3)随机误差，在相同的条件下，当同一测量值被多次测量时，有时会发现测量值大而小，误差的绝对值、正负以不可预测的方式变化。这种误差称为随机误差，也称为偶然误差，它反映了测量值的离散性。随机误差是测量过程中许多独立、微小和偶然因素造成的综合结果。在具有随机误差的测量结果中，虽然单个测量值的误差是随机的，用实验方法既不能消除也不能修正，但大多数随机误差总体上服从正态分布规律。46、相对测量值的长度，随机误差的正态分布规律，47、动态误差由心电图仪放大器带宽不足引起，当测量值随时间迅速变化时，系统的输出不能准确地与测量值随时间的变化相吻合，这称为动态误差。3。静态误差和动态误差，48，1.6.1传感器的静态特性，传感器的静态数学模型静态数学模型是指传感器输出和输入在静态信号作用下的函数关系。如果不考虑滞后和蠕变效应，传感器的静态数学模型通常可以表示为(1-1)，输入量，即传感器的实测理论输出，零输入时的输出